煤矿井下可退式卡瓦打捞筒的研制及应用

伍 涛

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

我国煤矿井下地质条件复杂，煤层稳定性差，且高瓦斯矿井占多数[1]，在煤矿井下钻进过程中卡钻、埋钻导致的孔内断钻事故不断增多，不仅影响了煤矿开采的生产进度，还会因成套钻具丢失带来严重的经济损失，处理事故过程更会耗费大量人力物力。煤矿井下孔内断钻事故打捞处理工艺和装备研究一直是一个重要课题[2-6]。

常见的煤矿井下的钻具打捞工具有公丝锥和母丝锥[7-9]，公丝锥在断裂钻杆的内孔圆柱面处造扣，母丝锥则在断裂钻杆外部造扣，二者均是靠丝扣锁住第一根钻杆实现上提打捞的方法。在卡钻、埋钻等造成断钻事故的打捞中，公母丝锥打捞往往存在以下3 个方面的不足：在高强度高韧性钻杆上造扣能力低；在钻杆上造扣过程产生的摩擦热使丝扣软化导致造扣强度不高；打捞断口不规则的钻具时，公母丝锥认扣套住钻具难度较高[10-11]。王英[12]指出在使用公丝锥和母丝锥进行打捞断裂钻具时，公母丝锥都出现不同程度的认扣困难和脱扣情况，需尝试多次打捞。张杰等[13]针对大尺寸井眼打捞研制了引导式自锁钩打捞工具，提高了打捞工具的认扣能力。郭昆明[14]针对复杂钻孔研制了套铣加造扣的复合锥打捞工具。李文鹏[15]、李帅帅[16]、张杰[17]等针对公母丝锥的不足研制了新型打捞工具，认扣能力在现场应用中得到了认可，但在复杂孔内事故中，其对断裂钻具抱紧强度的提高不明显。鉴于此，笔者从引鞋结构设计辅助扶正钻杆，卡瓦与外筒楔形螺旋结构设计改变传统造扣方式，增加键槽控制环设计保证打捞失败后钻具可退式操作等多个方面开展研究，研制一种可退式卡瓦打捞筒，以便更好地解决煤矿井下断钻事故的现场打捞。

1 卡瓦打捞筒打捞工艺

1.1 打捞工艺原理

可退式打捞筒的打捞工艺原理：打捞筒螺纹连接在主动钻杆上，沿着钻孔缓慢回转下钻至断钻点，通过引鞋扶正使得断裂钻杆顺利进入打捞筒内，推动卡瓦轴向移动至外筒最大外径处，卡瓦直径变大直至钻杆完全进入卡瓦内，卡瓦在右旋内螺纹的作用下逐渐抱紧钻具，并带动钻具一起回转，此时钻机上仪表显示回转压力和给进压力逐渐增大。缓慢回转并上提钻具，卡瓦楔形面与外管体楔形面紧密贴合，钻机的回转扭矩及起拔力转换为卡瓦对钻杆的抱紧力，直至最终将断裂钻具从孔内打捞出。

1.2 可退工艺原理

断裂钻杆打捞成功后，需在孔口释放钻具，如果打捞失败也需要打捞工具释放孔底钻具，防止二次断钻事故。可退式打捞筒设计了控制环单元以调整卡瓦在外筒中的位置，进而控制打捞筒对断裂钻具的解除抱紧力操作。具体原理是在控制环单元上设置了多组键槽，卡瓦上凸台与键槽配合，初始回转给进状态下卡瓦位于控制环抱紧键槽中，卡瓦在外筒体上可轴向移动但无旋转自由度，断裂钻杆可顺利进入卡瓦中，进而进行打捞作业。打捞成功或者孔口释放钻具时，钻机起拔钻具并反向回转一周，将卡瓦置于松开键槽中，此时卡瓦固定在外筒体内螺旋的最大外径处且无旋转自由度，外筒对卡瓦的抱紧力解除，在起拔过程中钻具就能顺利滑出打捞筒，实现释放钻具功能。

2 卡瓦打捞筒结构设计

可退式卡瓦打捞筒结构如图1 所示，包括上接手、外筒、卡瓦、控制环、引鞋5 个部件，外筒内表面为螺距40 mm 的楔形螺旋，卡瓦一端设计有凸台，另一端车有外螺旋与外筒的内螺旋相配合连接，二者螺旋面直径不同导致中间留有间隙，卡瓦可在一个螺距内沿轴向运动，引鞋一端为螺旋面，另一端与外筒螺纹连接，控制环上铣有键槽，装配在引鞋与外筒中间。

图1 卡瓦打捞筒结构Fig.1 Structure of the slip overshot

2.1 引 鞋

由于钻孔孔径大于断裂钻杆，断裂钻具在孔内呈倾斜状态，因此，打捞筒设计具有扶正效果的引鞋，引鞋设计为螺旋面结构，当孔内打捞筒与断裂钻具错开时，通过回转可将断裂钻具引入打捞筒内。在一定螺距内，引鞋螺旋面长度设计越长，断裂钻具的扶正距离越大，但螺旋面设计越长，螺旋面管体强度越低。综合考虑打捞筒的扶正效果以及引鞋强度，将引鞋螺旋面长度设计为120 mm，螺旋面的螺距设计为160 mm，打捞筒设计的螺旋面在孔内与断裂钻杆错位后，可以通过回转将断裂钻杆扶正并导入打捞筒内，大大提高卡瓦打捞筒认扣锁住断裂钻杆的成功率。

2.2 卡 瓦

打捞筒卡瓦结构如图2 所示。卡瓦内壁为楔形正螺旋，卡瓦前端有4 组凸台，凸台与控制环的键槽配合，卡瓦上铣加工有4 条豁槽，豁槽设计使断裂钻杆在进入卡瓦后可以径向胀大卡瓦并回转进入卡瓦内，待断裂钻杆完全进入卡瓦后起拔钻具，卡瓦内表面车有牙高2 mm 的细螺纹，钻杆带动卡瓦轴向移动使得卡瓦外表面楔形螺旋面与外筒楔形螺旋面接触，卡瓦受到外筒螺旋面产生的径向力，在径向力的作用下抱紧钻具。

图2 卡瓦结构Fig.2 Structure of the slip

2.3 控制环

控制环结构如图3 所示，控制环结构主要作用是控制卡瓦与外筒之间的位置关系，设计安装于打捞筒外筒与卡瓦之间，控制环内壁上铣有4 组相连通的环形键槽，卡瓦上凸台置于控制环键槽内，控制环设计的环形键槽使卡瓦在筒体中的相对位置可通过钻机动作进行程序式控制。钻机的给进、起拔、回转操作实现卡瓦在键槽内不同位置的变换，卡瓦在键槽内不同位置的变换对应卡瓦的抱紧和松开状态的转换，最终实现抱紧和释放钻具等功能。

图3 控制环结构Fig.3 Structure of the control ring

打捞筒整体结构设计实现了以下有益功能：通过引鞋螺旋面设计可提高打捞筒的回转认扣(引入钻杆断头)成功率；通过内外螺旋楔形面设计将钻机对钻杆的起拔力转换为打捞筒对断裂钻杆的抱紧力，起拔力越大对应抱紧力越大，与常规丝锥造扣相比具有更大的把持力；通过控制环键槽设计可以在打捞成功或失败后更好地释放钻具，在卡钻、埋钻等复杂事故中无法打捞情况下，也可孔内释放钻具防止出现二次断钻事故的发生。

3 卡瓦打捞筒管柱力学分析

打捞筒在进行打捞作业抱住钻杆后回转起拔过程中，受到扭矩和轴向正应力作用，发生断钻事故往往伴随有卡钻、埋钻事故，打捞作业时钻机的强力起拔操作，使得钻具受到比常规情况下更大的扭矩和正应力[18]。设计卡瓦打捞筒时需进行管柱力学分析，通过外筒受到扭转的剪切应力和起拔的轴向正应力，来确定打捞筒的合理壁厚尺寸，取二者较大值作为打捞筒壁厚设计的参考依据。通过分析卡瓦打捞筒对断裂钻杆的抱紧力分析来验证在钻机最大起拔力条件下打捞的成功率，为现场施工提供理论参考依据。

3.1 外筒扭转切应力计算

打捞筒外筒壁厚远小于其外筒中径，可假设打捞筒外筒为薄壁圆筒[19]，其两端面承受扭转变形的扭矩，外筒截面上扭矩产生的切应力，通过在外筒中径处截面上取一小方块做微分方程，横截面上扭矩与切应力间的静力关系为：

式中：r0为外筒中径，m；δ为外筒壁厚，m；τ为扭矩产生的切应力，MPa；A为外筒横截面积，m2；M为外筒受到扭矩，N·m。

对微小单元积分得到外筒横截面面积A：

由式(1)和式(2)可知壁厚与扭矩和切应力的关系：

根据材料屈服强度关系可确定外筒受到的切应力τ与许用切应力τmax的关系为：τ≤τmax

确定打捞筒外筒截面壁厚最小值为：

式中：δmin为外筒横截面最小壁厚，m；τmax为外筒材料的许用切应力，MPa。

以ø73 mm 打捞筒为例，针对煤矿井下常规钻孔常用钻机扭矩M为4 000 N·m，打捞筒外筒材料为45 号钢材，根据45 号钢国家标准GB 699−88《优质碳素结构钢》对45 号钢材材质的要求，乘以煤矿施工特殊工况下钢材安全系数后，打捞筒外筒的安全许用切应力为88 MPa，ø73 mm 外筒中径r0为50 mm，计算可得δmin≥2.9 mm，即仅考虑扭转变形条件且不考虑其他因素影响的情况下，打捞筒外筒的安全壁厚不应小于2.9 mm。

3.2 轴向正应力计算

打捞筒外筒可近似看作薄壁圆筒，在确定了钻机的最大起拔力后还需判断横截面的轴向正应力分布情况，通过度量横截面正应力分布集中度以及材料承受载荷的能力来判断筒体是否会因拉伸强度不足而破坏，进而可确定打捞筒外筒的最小壁厚。

假设外筒横截面上正应力 σ均匀分布，则有：

式中：F1为钻机起拔力，N。

对微小单元积分得到外筒横截面面积A：

即轴向正应力σ 的计算公式为：

以ø73 mm 打捞筒为例，针对煤矿井下常规钻孔常用ZDY4000S 钻机最大起拔力为155 kN，打捞筒外筒材料为45 号钢材，根据45 号钢国家标准GB 699−88《优质碳素结构钢》对45 号钢材材质的要求，乘以煤矿施工特殊工况下钢材安全系数后，乘以安全系数的打捞筒正应力屈服强度极限为152 MPa，ø73 mm 外筒中径r0为50 mm，计算可得δmin=3.25 mm，即仅考虑扭转变形条件且不考虑其他因素影响的情况下，打捞筒外筒的安全壁厚应不小于3.25 mm。

3.3 卡瓦抱紧力计算

打捞筒在工作过程中，卡瓦与外筒的接触情况及受力分析如图4 所示。断裂钻杆进入卡瓦内部将卡瓦外径胀大，卡瓦楔形螺旋面与外筒的楔形螺旋面接触，当受到钻机起拔力F1作用时，沿外筒楔形面对卡瓦施加法向分力N，由于卡瓦设计有4 条豁槽，外筒对卡瓦的法向分力N将转换为卡瓦对钻杆的抱紧力F2和轴向拉力。因此，通过打捞筒外筒和卡瓦楔形螺旋面设计，将钻机的起拔力等比例转换为卡瓦对断裂钻杆的抱紧力，钻机在打捞施工中对孔底钻具的起拔力越大，打捞筒对断裂钻杆的抱紧力越大，故不易脱扣造成断裂钻杆滑落。在卡钻、埋钻事故处理中，对打捞筒卡瓦抱紧力的计算显得更为重要，能为现场施工提供理论依据。

图4 卡瓦与外筒接触面受力分析Fig.4 Force analysis of contact surface between slip and outer tube body

根据受力分析：

对卡瓦进行受力分析，卡瓦受到外筒体楔形面法向分力N可转换为卡瓦对钻杆的径向抱紧力F2，则有：

可知钻杆受到的径向抱紧力F2为：

当楔形面的坡角θ<45°时，钻机对断裂钻杆的径向抱紧力与钻机起拔力成正比。

以ø73 mm 打捞筒为例，针对煤矿井下常规钻孔常用ZDY4000S 钻机最大起拔力为155 kN，打捞筒外筒与卡瓦的楔形面坡角 θ设计为7.5°，径向抱紧力则为20.06 kN。

3.4 卡瓦打捞筒研制

煤矿井下目前常用的钻杆规格有ø73 mm 和ø89 mm，通过对卡瓦打捞筒的管柱力学分析，设计了2 种规格的可退式卡瓦打捞筒(表1)：ø108/73 mm 可退式卡瓦打捞筒，设计打捞ø73 mm 钻杆，外筒最大直径ø108 mm，该打捞筒外筒的最小壁厚设计为3.5 mm；ø118/89 mm 卡瓦打捞筒，设计打捞ø73 mm 钻杆，外筒最大直径118 mm，该打捞筒外筒的最小壁厚设计为5.5 mm。

表1 打捞筒规格参数Table 1 Specifications and parameters of the overshot

4 现场试验

利用研制的2 种卡瓦打捞筒进行煤矿井下打捞ø73 mm 和ø89 mm 断裂钻杆试验，并在全国范围内进行推广应用。

4.1 钻场概况

研制的ø108/73 mm 可退式卡瓦打捞筒在山西省新源煤矿进行了现场打捞试验，新源煤矿开采2 号煤层，煤层平均厚度1.5 m，煤层结构简单，顶底板岩性以砂岩为主，工作面地层倾角7°～12°，属高瓦斯矿井。

此次山西省新源煤矿打捞作业位于2206 工作面，现场钻孔设计为穿岩见煤的穿层钻孔，煤层走势起伏在钻进过程中易钻遇矸石层，钻孔设计深度较大，钻杆在孔内受力不均导致弯曲起伏较大，加上塌孔煤渣对钻杆局部的压力，使得钻杆在接头处出现明显应力集中，极易导致钻杆因局部弯矩过大而造成接头疲劳断裂。

4.2 试验设备

现场施工的设备及规格型号情况见表2。

表2 设备规格型号Table 2 Equipment specification table

现场施工的ZDY4000s 钻机重要技术参数见表3。

表3 钻机技术参数Table 3 Technical parameters of the drilling rig

4.3 试 验

此次打捞作业中钻杆断裂部位位于钻杆公接头螺纹根部，断口形貌平整，断钻点位于钻孔孔深71 m 处，孔内掉落钻杆26 根，确定好断钻点后，下入打捞筒前反复冲孔和洗孔。利用钻机回转给进下放打捞筒钻遇钻具后，在引鞋的作用下钻具进入筒内，此时钻机上仪表显示回转压力和给进压力略微增大。钻具完全进入打捞筒后继续回转，若断裂钻具完全进入打捞筒内则带动钻具一起回转，此时钻机回转压力增大明显，钻机开始回转起拔打捞筒的操作，起拔压力也增大至完全套住钻杆，最终打捞筒成功打捞出26 根断裂钻杆，打捞筒提钻至孔口处，固定孔内钻具，钻机前推打捞筒并反向回转一周，再次提钻打捞筒在孔口成功释放断裂钻杆，顺利完成此次断裂钻杆的打捞工作。施工完成后打捞筒的实物如图5 所示。

图5 卡瓦打捞筒实物Fig.5 Physical map of the slip overshot

4.4 推广应用情况

研制的ø108/73 mm 和ø118/89 mm 打捞筒因卡瓦豁槽设计使得可打捞的钻具规格范围较大，可打捞钻具尺寸规格在±3 mm 范围内均可打捞，不仅适用于常规钻杆还适用于通缆钻杆，目前已在全国多个煤矿区进行了推广应用，如在华北地区山西大平煤业应用于ø73 mm 整体式螺旋钻杆打捞，在西南地区贵州龙凤煤矿、新田煤矿应用于ø89 mm 通缆钻杆打捞，在华东地区淮南煤田顾桥煤矿应用于ø89 mm 通缆钻杆和外平钻杆打捞作业，与传统公母丝锥打捞相比，可退式卡瓦打捞筒对断裂钻具抱紧强度高、认扣效果好、操作简便、可有效防止二次孔内事故发生，应用效果良好。

5 结 论

a.通过对卡瓦打捞筒的结构设计改变了常规的打捞丝锥造扣打捞原理，增强了对断裂钻杆的抱紧力，提高了打捞成功率，实现了卡瓦打捞筒可退式功能，方便孔口释放钻具，也可防止二次断钻等孔内事故发生。

b.根据打捞作业管柱的力学特征，分析了打捞筒外筒与卡瓦的受力关系，对卡瓦打捞筒的壁厚等关键设计参数进行理论分析；计算打捞筒在打捞作业时起拔力转换为对钻具抱紧力的大小，为卡瓦打捞筒现场应用推广提供了理论依据。

c.研制的可退式打捞筒成功应用于山西新源煤矿，并在全国范围内进行推广应用，证明卡瓦打捞筒结构设计合理，可退式释放钻具的功能具备可行性，现场应用效果良好。